JP2011065838A - Membrane electrode assembly for solid-polymer fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly for solid-polymer fuel cell capable of attaining high power-generating characteristic under high temperature and low-humidified or non-humidified operating condition compared with conventional assemblies. <P>SOLUTION: The membrane electrode assembly for the solid-polymer fuel cell has an anode 13 and a cathode 14 both having a catalytic layer 11 containing solid-polymer electrolytic polymer, and a high-polymer electrolytic film 15 disposed in between the anode 13 and the cathode 14. The catalytic layer 11 of the cathode 14 contains as the solid-polymer electrolytic polymer a polymer (H) corresponding to a dry resin with 0.9 to 2.5 mm equivalent/g ion-exchange capacity, has an oxygen-permeability coefficient of ≥1×10<SP>-12</SP>[cm<SP>3</SP>(Normal)×cm/cm<SP>2</SP>×s×Pa] when measured at 100°C by means of high-vacuum method, and has oxygen/nitrogen separation coefficient ≥2.5 at 100°C. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用の膜電極接合体に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子形燃料電池は、たとえば、2つのセパレータの間に膜電極接合体を挟んでセルを形成し、複数のセルをスタックしたものである。膜電極接合体は、触媒層を有するアノードおよびカソードと、アノードとカソードとの間に配置された固体高分子電解質膜とを備えたものであり、触媒層は、白金微粒子をカーボンに担持した触媒と固体高分子電解質ポリマーとを含む。   In the polymer electrolyte fuel cell, for example, a cell is formed by sandwiching a membrane electrode assembly between two separators, and a plurality of cells are stacked. The membrane electrode assembly includes an anode and a cathode having a catalyst layer, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. The catalyst layer is a catalyst in which platinum fine particles are supported on carbon. And a solid polyelectrolyte polymer.

該固体高分子電解質ポリマーとしては、下記ポリマー(1)がよく知られている。
下式(m1)で表される化合物に基づく繰り返し単位とテトラフルオロエチレン(以下、TFEと記す。)に基づく繰り返し単位とを有するポリマーの−SOF基をスルホン酸基(−SOH基)に変換したポリマー(1)。
CF=CF(OCFCFZ)(CFSOF ・・・(m1)。
ただし、Zは、フッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、mは、0〜3の整数であり、pは、0または1であり、nは、1〜12であり、m+p>0である。
As the solid polymer electrolyte polymer, the following polymer (1) is well known.
A —SO 2 F group of a polymer having a repeating unit based on the compound represented by the following formula (m1) and a repeating unit based on tetrafluoroethylene (hereinafter referred to as TFE) is converted to a sulfonic acid group (—SO 3 H group). ) Converted to (1).
CF 2 = CF (OCF 2 CFZ ) m O p (CF 2) n SO 2 F ··· (m1).
However, Z is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, m is an integer of 0 to 3, p is 0 or 1, n is 1 to 12, and m + p> 0.

固体高分子形燃料電池には、燃料電池システムの簡素化や低コスト化のために、反応ガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)の相対湿度が低い低加湿ないし無加湿条件(たとえば、固体高分子形燃料電池に供給される酸化剤ガスの相対湿度が固体高分子形燃料電池内の温度において30%以下)における運転が求められている。また、発電電圧や発電効率の向上のために、より高い温度(たとえば、固体高分子形燃料電池内の温度が90〜140℃)における運転が求められている。   In the polymer electrolyte fuel cell, in order to simplify the fuel cell system and reduce the cost, the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) has a low relative humidity or low humidification condition (for example, solid polymer) There is a demand for operation in which the relative humidity of the oxidant gas supplied to the fuel cell is 30% or less at the temperature in the polymer electrolyte fuel cell. Further, in order to improve the power generation voltage and power generation efficiency, operation at a higher temperature (for example, the temperature in the polymer electrolyte fuel cell is 90 to 140 ° C.) is required.

固体高分子形燃料電池における反応は、下式(R1)、(R2)で表わされる。式(R2)で表わされるカソードでの反応が律速となるといわれており、該反応を促進するためには、反応場におけるプロトン濃度および酸素濃度を高める必要がある。
アノード:H → 2H + 2e ・・・(R1)、
カソード:2H + 1/2O + 2e → HO ・・・(R2)。
The reaction in the polymer electrolyte fuel cell is represented by the following formulas (R1) and (R2). It is said that the reaction at the cathode represented by the formula (R2) is rate-limiting, and in order to promote the reaction, it is necessary to increase the proton concentration and the oxygen concentration in the reaction field.
Anode: H 2 → 2H + + 2e (R1),
Cathode: 2H + + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O (R2).

したがって、高温、かつ低加湿ないし無加湿条件下にて充分な発電特性(出力電圧等)を発揮させるためには、固体高分子電解質ポリマーのイオン交換容量を高くし、かつ高温での酸素透過性を高める必要がある。通常、ポリマーのガス透過性は高温になると高くなるため、固体高分子電解質ポリマーがある程度のガス透過性を有していれば、高温での酸素透過性が充分に得られる。   Therefore, in order to exhibit sufficient power generation characteristics (output voltage, etc.) under high temperature and low or no humidification conditions, the ion exchange capacity of the solid polymer electrolyte polymer is increased and oxygen permeability at high temperature is also achieved. Need to be increased. Normally, the gas permeability of a polymer becomes higher at a high temperature. Therefore, if the solid polymer electrolyte polymer has a certain degree of gas permeability, sufficient oxygen permeability at a high temperature can be obtained.

また、カソードには、通常、空気が供給されるため、固体高分子電解質ポリマーの酸素/窒素分離係数が高いと、より高濃度の酸素が反応場に供給され、より高い発電特性が得られる。   Further, since air is normally supplied to the cathode, when the oxygen / nitrogen separation coefficient of the solid polymer electrolyte polymer is high, a higher concentration of oxygen is supplied to the reaction field, and higher power generation characteristics can be obtained.

カソードにおける酸素濃度を高める試みとして、高真空法にて温度25℃の条件で測定した酸素透過係数が5×10−11〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕以上であり、かつイオン交換基を有さない高分子化合物を触媒層に含ませることが提案されている(特許文献1)。 In an attempt to increase the oxygen concentration at the cathode, the oxygen transmission coefficient measured at 25 ° C. by a high vacuum method is 5 × 10 −11 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s · Pa] or more. In addition, it has been proposed to include a polymer compound having no ion exchange group in the catalyst layer (Patent Document 1).

しかし、該高分子化合物は、酸素透過性は高いものの、イオン交換基を有していないため、触媒層におけるイオン交換基の濃度が低下し、プロトン濃度を高めることができない。特に、低加湿ないし無加湿条件下における運転では発電特性が充分に発揮できないという問題がある。   However, although the polymer compound has high oxygen permeability but does not have an ion exchange group, the concentration of the ion exchange group in the catalyst layer decreases, and the proton concentration cannot be increased. In particular, there is a problem that power generation characteristics cannot be sufficiently exhibited in operation under low or no humidification conditions.

該問題を解決する手段として、等圧ガスクロマトグラフィ法にて温度80℃、相対湿度80%の条件で測定した酸素透過係数が5×10−12〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕以上である含フッ素イオン交換樹脂を触媒層に含ませることが提案されている(特許文献2)。 As a means for solving this problem, the oxygen permeability coefficient measured by the isobaric gas chromatography method at a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 80% is 5 × 10 −12 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s. It has been proposed that the catalyst layer contains a fluorine-containing ion exchange resin that is equal to or greater than Pa] (Patent Document 2).

しかし、該酸素透過係数の値は、温度80℃、相対湿度80%と比較的高い加湿度での値であり、より高温、かつ低加湿条件下における運転では、充分な発電特性が得られるかどうか不明である。また、酸素/窒素分離性に関する検討はなされていない。   However, the value of the oxygen transmission coefficient is a value at a relatively high humidification temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 80%. Is it possible to obtain sufficient power generation characteristics in operation at higher temperatures and low humidification conditions? Whether it is unknown. Moreover, examination about oxygen / nitrogen separability is not made | formed.

特開2002−252001号公報JP 2002-252001 A 特開2003−036856号公報JP 2003-036856 A

本発明は、従来のものに比べ、高温、かつ低加湿ないし無加湿の運転条件下にて高い発電特性を得ることができる固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を提供する。   The present invention provides a membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, which can obtain higher power generation characteristics under operating conditions of high temperature and low or no humidification compared to conventional ones.

本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、固体高分子電解質ポリマーを含む触媒層を有するアノードと、固体高分子電解質ポリマーを含む触媒層を有するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された高分子電解質膜とを備え、前記カソードの触媒層が、前記固体高分子電解質ポリマーとして、イオン交換容量が0.9〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂であり、高真空法にて温度100℃の条件で測定した酸素透過係数が1×10−12〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕以上であり、かつ100℃の酸素/窒素分離係数が2.5以上であるポリマー(H)を含むことを特徴とする。 A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes an anode having a catalyst layer containing a solid polymer electrolyte polymer, a cathode having a catalyst layer containing a solid polymer electrolyte polymer, the anode and the cathode, A polymer electrolyte membrane disposed between the cathode and the catalyst layer of the cathode, as the solid polymer electrolyte polymer, having an ion exchange capacity of 0.9 to 2.5 meq / g dry resin, Oxygen permeation coefficient measured at a temperature of 100 ° C. by a vacuum method is 1 × 10 −12 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s · Pa] or more and an oxygen / nitrogen separation factor of 100 ° C. It contains the polymer (H) whose is 2.5 or more.

前記ポリマー(H)は、環状構造を有し、かつイオン交換基またはその前駆体基を有さない繰り返し単位(A)、およびまたは環状構造を有し、かつイオン交換基またはその前駆体基を有する繰り返し単位(B)を有し、ポリマー(H)中の全繰り返し単位のうち、前記繰り返し単位(A)と前記繰り返し単位(B)との合計の割合が、20モル%以上であることが好ましい。
前記カソードの触媒層は、150〜180℃の温度で、1〜60分熱処理されたものであることが好ましい。
The polymer (H) has a cyclic structure and a repeating unit (A) not having an ion exchange group or a precursor group thereof, and / or a cyclic structure and an ion exchange group or a precursor group thereof. The total proportion of the repeating unit (A) and the repeating unit (B) is 20 mol% or more among all repeating units in the polymer (H). preferable.
The cathode catalyst layer is preferably heat treated at a temperature of 150 to 180 ° C. for 1 to 60 minutes.

本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、従来のものに比べ、高温、かつ低加湿ないし無加湿の運転条件下にて高い発電特性を得ることができる。   The membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention can obtain high power generation characteristics under high temperature and low or non-humidified operating conditions as compared with the conventional one.

本発明の膜電極接合体の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the membrane electrode assembly of this invention. 本発明の膜電極接合体の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the membrane electrode assembly of this invention.

本明細書においては、式(U1)で表される繰り返し単位を単位(U1)と記す。他の式で表される繰り返し単位も同様に記す。
また、本明細書においては、式(M1−1)で表される化合物を化合物(M1−1)と記す。他の式で表される化合物も同様に記す。
In this specification, the repeating unit represented by the formula (U1) is referred to as a unit (U1). Repeating units represented by other formulas are also described in the same manner.
Moreover, in this specification, the compound represented by a formula (M1-1) is described as a compound (M1-1). The same applies to compounds represented by other formulas.

本発明における繰り返し単位とは、モノマーが重合することによって形成された該モノマーに由来する単位を意味する。繰り返し単位は、重合反応によって直接形成された単位であってもよく、ポリマーを処理することによって該単位の一部が別の構造に変換された単位であってもよい。
本発明におけるモノマーとは、重合反応性の炭素−炭素二重結合を有する化合物を意味する。
The repeating unit in the present invention means a unit derived from the monomer formed by polymerization of the monomer. The repeating unit may be a unit directly formed by a polymerization reaction, or may be a unit in which a part of the unit is converted into another structure by treating the polymer.
The monomer in the present invention means a compound having a polymerization-reactive carbon-carbon double bond.

本発明におけるイオン交換基とは、H、一価の金属カチオン、アンモニウムイオン等を有する基を意味する。イオン交換基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、スルホンメチド基等が挙げられる。
本発明における前駆体基とは、加水分解処理、酸型化処理等の公知の処理によりイオン交換基に変換できる基を意味する。前駆体基としては、−SOF基等が挙げられる。
The ion exchange group in the present invention means a group having H + , monovalent metal cation, ammonium ion and the like. Examples of the ion exchange group include a sulfonic acid group, a sulfonimide group, and a sulfonemethide group.
The precursor group in the present invention means a group that can be converted into an ion exchange group by a known treatment such as hydrolysis treatment or acidification treatment. Examples of the precursor group include —SO 2 F group.

<膜電極接合体>
図1は、本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体(以下、膜電極接合体と記す。)の一例を示す断面図である。
膜電極接合体10は、固体高分子電解質ポリマーを含む触媒層11およびガス拡散層12を有するアノード13と、固体高分子電解質ポリマーを含む触媒層11およびガス拡散層12を有するカソード14と、アノード13とカソード14との間に、触媒層11に接した状態で配置される固体高分子電解質膜15とを備える。
<Membrane electrode assembly>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention (hereinafter referred to as a membrane electrode assembly).
The membrane electrode assembly 10 includes an anode 13 having a catalyst layer 11 and a gas diffusion layer 12 containing a solid polymer electrolyte polymer, a cathode 14 having a catalyst layer 11 and a gas diffusion layer 12 containing a solid polymer electrolyte polymer, and an anode A solid polymer electrolyte membrane 15 disposed in contact with the catalyst layer 11 is provided between the cathode 13 and the cathode 14.

本発明においては、カソード14の触媒層11が、固体高分子電解質ポリマーとして、イオン交換容量が0.9〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂であり、高真空法にて温度100℃の条件で測定した酸素透過係数が1×10−12〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕以上であり、かつ100℃の酸素/窒素分離係数が2.5以上であるポリマー(H)を含むことに特徴がある。 In the present invention, the catalyst layer 11 of the cathode 14 is a dry polymer having an ion exchange capacity of 0.9 to 2.5 meq / g as a solid polymer electrolyte polymer, and a temperature of 100 ° C. in a high vacuum method. A polymer having an oxygen permeation coefficient of 1 × 10 −12 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s · Pa] or more and an oxygen / nitrogen separation coefficient of 2.5 or more at 100 ° C. H) is included.

(ポリマー(H))
ポリマー(H)のイオン交換容量は、0.9〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂である。イオン交換容量が0.9ミリ当量/g乾燥樹脂以上であれば、低加湿ないし無加湿条件下におけるプロトン導電性が低くなりすぎない。イオン交換容量が2.5ミリ当量/g乾燥樹脂以下であれば、ポリマー(H)の膨潤度が高くなりすぎない。そのため、生成水がフラッディングを起こして空気の供給を妨げたり、生成水にポリマー(H)が溶解したりすることがない。イオン交換容量は、低加湿ないし無加湿条件下におけるプロトン導電性を確保でき、かつ過度な膨潤も起こらない点から、1.0〜2.2ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましく、高温、かつ無加湿条件下に好適な点から、1.6〜2.0ミリ当量/g乾燥樹脂がより好ましい。
(Polymer (H))
The ion exchange capacity of the polymer (H) is 0.9 to 2.5 meq / g dry resin. When the ion exchange capacity is 0.9 meq / g dry resin or more, proton conductivity under low or no humidification conditions does not become too low. If the ion exchange capacity is 2.5 meq / g dry resin or less, the degree of swelling of the polymer (H) will not be too high. Therefore, the generated water does not cause flooding and hinder the supply of air, and the polymer (H) does not dissolve in the generated water. The ion exchange capacity is preferably 1.0 to 2.2 meq / g dry resin from the viewpoint that proton conductivity can be secured under low or no humidification conditions and excessive swelling does not occur. From the point suitable for humidification conditions, 1.6 to 2.0 meq / g dry resin is more preferable.

ポリマー(H)の酸素透過係数は、1×10−12〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕以上である。酸素透過係数が1×10−12〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕以上であれば、反応場における酸素濃度が高くなり、反応が進行しやすくなる。酸素透過係数は、3×10−12〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕以上が好ましく、5×10−12〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕以上がより好ましい。なお、酸素透過係数の上限は特に限定されないが、プロトン導電性を確保しつつ、5×10−11〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕以上の酸素透過係数を有する固体高分子電解質ポリマーを合成することは困難である点から、通常は5×10−11〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕未満である。 The oxygen permeability coefficient of the polymer (H) is 1 × 10 −12 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s · Pa] or more. When the oxygen permeability coefficient is 1 × 10 −12 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s · Pa] or more, the oxygen concentration in the reaction field becomes high and the reaction easily proceeds. The oxygen permeability coefficient is preferably 3 × 10 −12 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s · Pa] or more, and preferably 5 × 10 −12 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s · Pa]. The above is more preferable. The upper limit of the oxygen permeability coefficient is not particularly limited, but a solid having an oxygen permeability coefficient of 5 × 10 −11 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s · Pa] or more while ensuring proton conductivity. Since it is difficult to synthesize a polyelectrolyte polymer, it is usually less than 5 × 10 −11 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s · Pa].

本発明における酸素透過係数は、固体高分子電解質ポリマーから作製したキャスト膜をガス透過測定装置にセットし、高真空法に基づいて温度100℃の条件で測定したキャスト膜の酸素透過係数である。   The oxygen permeation coefficient in the present invention is an oxygen permeation coefficient of a cast film measured on the condition of a temperature of 100 ° C. based on a high vacuum method by setting a cast film produced from a solid polymer electrolyte polymer in a gas permeation measuring apparatus.

ポリマー(H)の100℃の酸素/窒素分離係数は、2.5以上であり、2.7以上が好ましく、3.0以上がより好ましい。100℃の酸素/窒素分離係数が2.5以上であれば、反応場における酸素濃度が充分に高まり、発電特性が向上する。   The oxygen / nitrogen separation coefficient at 100 ° C. of the polymer (H) is 2.5 or more, preferably 2.7 or more, and more preferably 3.0 or more. When the oxygen / nitrogen separation coefficient at 100 ° C. is 2.5 or more, the oxygen concentration in the reaction field is sufficiently increased, and the power generation characteristics are improved.

本発明における100℃の酸素/窒素分離係数は、固体高分子電解質ポリマーから作製したキャスト膜をガス透過測定装置にセットし、高真空法に基づいて温度100℃の条件で測定したキャスト膜の酸素透過係数と窒素透過係数との比である。   The oxygen / nitrogen separation factor at 100 ° C. in the present invention is determined by setting the cast membrane prepared from the solid polymer electrolyte polymer in a gas permeation measuring device and measuring the oxygen in the cast membrane based on the high vacuum method at a temperature of 100 ° C. It is the ratio between the permeability coefficient and the nitrogen permeability coefficient.

ポリマー(H)の質量平均分子量は、1×10〜1×10が好ましく、5×10〜5×10がより好ましく、1×10〜3×10がさらに好ましい。ポリマー(H)の質量平均分子量が1×10以上であれば、膨潤度等の物性が経時的に変化しにくく、耐久性が充分となる。ポリマー(H)の質量平均分子量が1×10以下であれば、溶液化および成形が容易となる。 The mass average molecular weight of the polymer (H) is preferably 1 × 10 4 to 1 × 10 7, more preferably 5 × 10 4 to 5 × 10 6 , and even more preferably 1 × 10 5 to 3 × 10 6 . When the mass average molecular weight of the polymer (H) is 1 × 10 4 or more, physical properties such as the degree of swelling hardly change with time, and durability is sufficient. If the polymer (H) has a mass average molecular weight of 1 × 10 7 or less, solutionization and molding become easy.

固体高分子電解質ポリマーの質量平均分子量は、TQ値を測定することにより評価できる。TQ値(単位:℃)は、ポリマーの分子量の指標であり、長さ1mm、内径1mmのノズルを用い、2.94MPaの押出し圧力の条件でポリマーの溶融押出しを行った際の押出し量が100mm/秒となる温度である。たとえば、TQ値が200〜300℃であるポリマーは、ポリマーを構成する繰り返し単位の組成で異なるが、質量平均分子量が1×10〜1×10に相当する。 The mass average molecular weight of the solid polymer electrolyte polymer can be evaluated by measuring the TQ value. The TQ value (unit: ° C.) is an index of the molecular weight of the polymer. The extrusion amount when the polymer is melt-extruded under the condition of the extrusion pressure of 2.94 MPa using a nozzle having a length of 1 mm and an inner diameter of 1 mm is 100 mm. The temperature is 3 / sec. For example, a polymer having a TQ value of 200 to 300 ° C. corresponds to a mass average molecular weight of 1 × 10 5 to 1 × 10 6 although the composition of repeating units constituting the polymer differs.

ポリマー(H)としては、環状構造を有し、かつイオン交換基またはその前駆体基を有さない繰り返し単位(A)、およびまたは環状構造を有し、かつイオン交換基またはその前駆体基を有する繰り返し単位(B)を有するポリマー(H1)が好ましい。主鎖に環状構造を有する繰り返し単位を有するポリマー(H1)は、高温において高い酸素透過性、および高い酸素/窒素分離特性を発現する。   The polymer (H) includes a repeating unit (A) having a cyclic structure and not having an ion exchange group or a precursor group thereof, and / or having a cyclic structure and an ion exchange group or a precursor group thereof. The polymer (H1) having the repeating unit (B) having is preferable. The polymer (H1) having a repeating unit having a cyclic structure in the main chain exhibits high oxygen permeability and high oxygen / nitrogen separation characteristics at high temperatures.

ポリマー(H1)は、必要に応じて環状構造を有さず、かつイオン交換基またはその前駆体基を有する繰り返し単位(C)、およびまたは他の繰り返し単位(D)を有していてもよい。   The polymer (H1) does not have a cyclic structure, and may have a repeating unit (C) having an ion exchange group or a precursor group thereof, and / or another repeating unit (D) as necessary. .

ポリマー(H1)中の全繰り返し単位のうち、繰り返し単位(A)と繰り返し単位(B)との合計(以下、これらをまとめて環状構造を有する繰り返し単位とも記す。)の割合は、20モル%以上である。環状構造の種類によっても異なるが、環状構造を有する繰り返し単位の割合は、高温での酸素透過係数や酸素/窒素分離係数が高く点から、40モル%以上が好ましく、60モル%以上がより好ましい。   The ratio of the total of the repeating unit (A) and the repeating unit (B) (hereinafter, collectively referred to as a repeating unit having a cyclic structure) out of all repeating units in the polymer (H1) is 20 mol%. That's it. The proportion of the repeating unit having a cyclic structure is preferably 40 mol% or more, more preferably 60 mol% or more, from the viewpoint of high oxygen permeability coefficient and oxygen / nitrogen separation coefficient at high temperatures, although it varies depending on the type of cyclic structure. .

繰り返し単位(A):
繰り返し単位(A)としては、単位(U1)〜(U4)が好ましい。
Repeating unit (A):
As the repeating unit (A), units (U1) to (U4) are preferable.

Figure 2011065838
Figure 2011065838

ただし、cは1〜4の整数であり、R、Rはそれぞれ独立にフッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、Rは炭素数1〜8のペルフルオロアルキル基またはペルフルオロアルコキシ基である。
単位(U1)〜(U4)は、4〜7員環が好ましく、環の安定性の点から、5員環または6員環がより好ましい。
However, c is an integer from 1 to 4, R 1, R 2 are each independently a fluorine atom or a trifluoromethyl group, R 3 is a perfluoroalkyl group or a perfluoroalkoxy group having 1 to 8 carbon atoms.
The units (U1) to (U4) are preferably 4- to 7-membered rings, and more preferably 5-membered or 6-membered rings from the viewpoint of ring stability.

繰り返し単位(A)を構成し得るモノマー(a)としては、環状構造を有し、かつイオン交換基またはその前駆体基を有さないモノマー(a1)、またはイオン交換基またはその前駆体基を有さず、重合と同時に環状構造を形成し得る環化重合性モノマー(以下、モノマー(a2)と記す。)が挙げられる。   As the monomer (a) that can constitute the repeating unit (A), a monomer (a1) that has a cyclic structure and does not have an ion exchange group or a precursor group thereof, or an ion exchange group or a precursor group thereof. And a cyclopolymerizable monomer (hereinafter referred to as monomer (a2)) capable of forming a cyclic structure simultaneously with polymerization.

モノマー(a1)としては、ペルフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)(以下、PDDと記す。)、ペルフルオロ(1,3−ジオキソール)、ペルフルオロ(2−メチレン−4−メチル−1,3−ジオキソラン)(以下、MMDと記す。)、2,2,4−トリフルオロ−5−トリフルオロメトキシ−1,3−ジオキソール等が挙げられる。   As the monomer (a1), perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole) (hereinafter referred to as PDD), perfluoro (1,3-dioxole), perfluoro (2-methylene-4-methyl-1). , 3-dioxolane) (hereinafter referred to as MMD), 2,2,4-trifluoro-5-trifluoromethoxy-1,3-dioxole and the like.

モノマー(a2)としては、ペルフルオロ(3−ブテニルビニルエーテル)(以下、BVEと記す。)、ペルフルオロ[(1−メチル−3−ブテニル)ビニルエーテル]、ペルフルオロ(アリルビニルエーテル)、1,1’−[(ジフルオロメチレン)ビス(オキシ)]ビス[1,2,2−トリフルオロエチレン]等が挙げられる。   As the monomer (a2), perfluoro (3-butenyl vinyl ether) (hereinafter referred to as BVE), perfluoro [(1-methyl-3-butenyl) vinyl ether], perfluoro (allyl vinyl ether), 1,1 ′-[ (Difluoromethylene) bis (oxy)] bis [1,2,2-trifluoroethylene] and the like.

モノマー(a1)またはモノマー(a2)に基づく繰り返し単位の具体例としては、PDDに基づく繰り返し単位(U1−1)、BVEに基づく繰り返し単位(U3−1)、MMDに基づく繰り返し単位(U4−1)等が挙げられる。   Specific examples of the repeating unit based on the monomer (a1) or the monomer (a2) include a repeating unit based on PDD (U1-1), a repeating unit based on BVE (U3-1), a repeating unit based on MMD (U4-1) ) And the like.

Figure 2011065838
Figure 2011065838

繰り返し単位(B):
繰り返し単位(B)としては、単位(U5)が好ましい。
Repeating unit (B):
As the repeating unit (B), the unit (U5) is preferable.

Figure 2011065838
Figure 2011065838

ただし、R11は、エーテル結合性酸素原子を有してもよい2価のペルフルオロ有機基であり、R12、R13、R15、R16は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を有してもよい1価のペルフルオロ有機基またはフッ素原子であり、R14は、エーテル結合性酸素原子を有してもよい1価のペルフルオロ有機基、フッ素原子、または−R11(SOX(SO基であり、Rは、エーテル結合性酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキル基であり、Xは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であり、dは、Xが酸素原子の場合0であり、Xが窒素原子の場合1であり、Xが炭素原子の場合2であり、Mは、H、一価の金属カチオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。 However, R 11 is a divalent perfluoro organic group that may have an etheric oxygen atom, and R 12 , R 13 , R 15 , and R 16 each independently have an etheric oxygen atom. R 14 may be a monovalent perfluoro organic group which may have an ether bond oxygen atom, a fluorine atom, or —R 11 (SO 2 X (SO 2 R f ) d ) M + group, R f is a perfluoroalkyl group optionally having an etheric oxygen atom, X is an oxygen atom, a nitrogen atom or a carbon atom, d Is 0 when X is an oxygen atom, 1 when X is a nitrogen atom, 2 when X is a carbon atom, and M + is H + , a monovalent metal cation, or one or more hydrogen Atom replaced with hydrocarbon group Also be a good ammonium ion.

単位(U5)としては、単位(U5)を構成し得るモノマーの合成が容易である点および重合反応性が高い点から、単位(U5−1)が特に好ましい。   As the unit (U5), the unit (U5-1) is particularly preferable from the viewpoint of easy synthesis of a monomer capable of constituting the unit (U5) and high polymerization reactivity.

Figure 2011065838
Figure 2011065838

繰り返し単位(C):
繰り返し単位(C)としては、−SOF基を有するペルフルオロビニルエーテルに基づく繰り返し単位の−SOF基を酸性基に変換した繰り返し単位が好ましい。具体的には、単位(U6)または単位(U7)が好ましい。
Repeating unit (C):
The repeating unit (C), the repeating units obtained by converting the -SO 2 F groups of the repeating units based on perfluorovinyl ether having a -SO 2 F group in the acidic group. Specifically, the unit (U6) or the unit (U7) is preferable.

Figure 2011065838
Figure 2011065838

ただし、Qは、エーテル結合性酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Qは、単結合、またはエーテル結合性酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Rf1は、エーテル結合性酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキル基であり、Xは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であり、aは、Xが酸素原子の場合0であり、Xが窒素原子の場合1であり、Xが炭素原子の場合2であり、Yは、フッ素原子または1価のペルフルオロ有機基であり、sは、0または1であり、
は、単結合、またはエーテル結合性酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Rf2は、エーテル結合性酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキル基であり、Xは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であり、bは、Xが酸素原子の場合0であり、Xが窒素原子の場合1であり、Xが炭素原子の場合2であり、Yは、フッ素原子または1価のペルフルオロ有機基であり、tは、0または1である。
単結合は、CYまたはCYの炭素原子と、SOのイオウ原子とが直接結合していることを意味する。
有機基は、炭素原子を1以上含む基を意味する。
However, Q 1 is a perfluoroalkylene group which may have an ether bond oxygen atom, Q 2 is a perfluoroalkylene group which may have a single bond or an ether bond oxygen atom, R f1 is a perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom, X 1 is an oxygen atom, a nitrogen atom or a carbon atom, and a is 0 when X 1 is an oxygen atom , 1 when X 1 is a nitrogen atom, 2 when X 1 is a carbon atom, Y 1 is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, s is 0 or 1,
Q 3 is a single bond or a perfluoroalkylene group optionally having an etheric oxygen atom, R f2 is a perfluoroalkyl group optionally having an etheric oxygen atom, and X 2 Is an oxygen atom, a nitrogen atom or a carbon atom, b is 0 when X 2 is an oxygen atom, 1 when X 2 is a nitrogen atom, 2 when X 2 is a carbon atom, Y 2 is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, and t is 0 or 1.
The single bond means that the carbon atom of CY 1 or CY 2 and the sulfur atom of SO 2 are directly bonded.
An organic group means a group containing one or more carbon atoms.

単位(U6):
、Qのペルフルオロアルキレン基がエーテル結合性酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、ペルフルオロアルキレン基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。
ペルフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
ペルフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。炭素数が6以下であれば、単位(U6)を構成し得るモノマーの沸点が低くなり、蒸留精製が容易となる。また、炭素数が6以下であれば、ポリマー(H1)の当量重量の増加が抑えられ、プロトン導電性の低下が抑えられる。
Unit (U6):
When the perfluoroalkylene group of Q 1 and Q 2 has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be one or two or more. The oxygen atom may be inserted between the carbon atom-carbon atom bonds of the perfluoroalkylene group or may be inserted at the carbon atom bond terminal.
The perfluoroalkylene group may be linear or branched, and is preferably linear.
1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkylene group, 1-4 are more preferable. When the number of carbon atoms is 6 or less, the boiling point of the monomer that can constitute the unit (U6) becomes low, and distillation purification becomes easy. Moreover, if carbon number is 6 or less, the increase in the equivalent weight of a polymer (H1) will be suppressed, and the proton conductivity fall will be suppressed.

は、エーテル結合性酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基であることが好ましい。Qがエーテル結合性酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基であれば、Qが単結合である場合に比べ、長期にわたって固体高分子形燃料電池を運転した際に、発電特性の安定性に優れる。
、Qの少なくとも一方は、エーテル結合性酸素原子を有する炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基であることが好ましい。エーテル結合性酸素原子を有する炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基を有する含フッ素モノマーは、フッ素ガスによるフッ素化反応を経ずに合成できるため、収率が良好で、製造が容易である。
Q 2 is preferably a C 1-6 perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom. When Q 2 is a C 1-6 perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, the polymer electrolyte fuel cell was operated over a longer period than when Q 2 is a single bond. In particular, the stability of power generation characteristics is excellent.
At least one of Q 1 and Q 2 is preferably a C 1-6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom. Since a fluorine-containing monomer having a C 1-6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom can be synthesized without undergoing a fluorination reaction with a fluorine gas, the yield is good and the production is easy.

f1のペルフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
ペルフルオロアルキル基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。ペルフルオロアルキル基としては、トリフルオロメチル基またはペンタフルオロエチル基が好ましい。
単位(U6)が2つ以上のRf1を有する場合、Rf1は、それぞれ同じ基であってもよく、それぞれ異なる基であってもよい。
The perfluoroalkyl group for R f1 may be linear or branched, and is preferably linear.
1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkyl group, 1-4 are more preferable. As the perfluoroalkyl group, a trifluoromethyl group or a pentafluoroethyl group is preferable.
When the unit (U6) has two or more R f1 s , R f1 may be the same group or different groups.

−(SO(SOf1基は、イオン交換基である。
−(SO(SOf1基としては、スルホン酸基(−SO 基)、スルホンイミド基(−SON(SOf1基)、またはスルホンメチド基(−SOC(SOf1基)が挙げられる。
としては、フッ素原子、またはエーテル結合性酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6の直鎖のペルフルオロアルキル基が好ましい。
- (SO 2 X 1 (SO 2 R f1) a) - H + group is an ion-exchange group.
- (SO 2 X 1 (SO 2 R f1) a) - The H + group, a sulfonic acid group (-SO 3 - H + group), a sulfonimide group (-SO 2 N (SO 2 R f1) - H + group), or a sulfonmethide group (-SO 2 C (SO 2 R f1) 2) - H + group).
Y 1 is preferably a fluorine atom or a linear perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have an etheric oxygen atom.

単位(U6)としては、単位(U6−1)が好ましく、ポリマー(H1)の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位(U6−11)、単位(U6−12)または単位(U6−13)がより好ましい。   As the unit (U6), the unit (U6-1) is preferable, and the unit (U6-11) and the unit (U6-12) are preferable because the production of the polymer (H1) is easy and the industrial implementation is easy. Or a unit (U6-13) is more preferable.

Figure 2011065838
Figure 2011065838

ただし、RF11は、単結合、またはエーテル結合性酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6の直鎖状のペルフルオロアルキレン基であり、RF12は、炭素数1〜6の直鎖状のペルフルオロアルキレン基である。 However, R <F11> is a C1-C6 linear perfluoroalkylene group which may have a single bond or an ether bond oxygen atom, and R <F12> is a C1-C6 linear chain Perfluoroalkylene group.

単位(U7):
のペルフルオロアルキレン基がエーテル結合性酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、ペルフルオロアルキレン基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。
ペルフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよい。
ペルフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。炭素数が6以下であれば、ポリマー(H1)の当量重量の増加が抑えられ、プロトン導電性の低下が抑えられる。
Unit (U7):
When the perfluoroalkylene group of Q 3 has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be 1 or 2 or more. The oxygen atom may be inserted between the carbon atom-carbon atom bonds of the perfluoroalkylene group or may be inserted at the carbon atom bond terminal.
The perfluoroalkylene group may be linear or branched.
1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkylene group, 1-4 are more preferable. When the number of carbon atoms is 6 or less, an increase in the equivalent weight of the polymer (H1) can be suppressed, and a decrease in proton conductivity can be suppressed.

f2のペルフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
ペルフルオロアルキル基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。ペルフルオロアルキル基としては、トリフルオロメチル基またはペンタフルオロエチル基が好ましい。
The perfluoroalkyl group for R f2 may be linear or branched, and is preferably linear.
1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkyl group, 1-4 are more preferable. As the perfluoroalkyl group, a trifluoromethyl group or a pentafluoroethyl group is preferable.

−(SO(SOf2基は、イオン交換基である。
−(SO(SOf2基としては、スルホン酸基(−SO 基)、スルホンイミド基(−SON(SOf2基)、またはスルホンメチド基(−SOC(SOf2基)が挙げられる。
としては、フッ素原子またはトリフルオロメチル基が好ましい。
- (SO 2 X 2 (SO 2 R f2) b) - H + group is an ion-exchange group.
- (SO 2 X 2 (SO 2 R f2) b) - as the H + group, a sulfonic acid group (-SO 3 - H + group), a sulfonimide group (-SO 2 N (SO 2 R f2) - H + group), or a sulfonmethide group (-SO 2 C (SO 2 R f2) 2) - H + group).
Y 2 is preferably a fluorine atom or a trifluoromethyl group.

単位(U7)としては、単位(U7−1)が好ましく、ポリマー(H1)の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位(U7−11)、単位(U7−12)、単位(U7−13)または単位(U7−14)がより好ましい。   As the unit (U7), the unit (U7-1) is preferable. From the viewpoint of easy production of the polymer (H1) and easy industrial implementation, the unit (U7-11) and the unit (U7-12) are preferred. , Unit (U7-13) or unit (U7-14) is more preferred.

Figure 2011065838
Figure 2011065838

ただし、Zは、フッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、mは、0〜3の整数であり、pは、0または1であり、nは、1〜12の整数であり、m+p>0である。   However, Z is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, m is an integer of 0 to 3, p is 0 or 1, n is an integer of 1 to 12, and m + p> 0. is there.

繰り返し単位(D):
繰り返し単位(D)としては、機械的強度および化学的な耐久性の点から、ペルフルオロモノマーに基づく繰り返し単位が好ましく、TFEに基づく繰り返し単位がより好ましい。
TFEに基づく繰り返し単位の割合は、特には限定されないが、ポリマー(H1)の当量重量が好ましい範囲となるように、適宜調整すればよい。
Repeat unit (D):
The repeating unit (D) is preferably a repeating unit based on a perfluoromonomer and more preferably a repeating unit based on TFE from the viewpoint of mechanical strength and chemical durability.
The ratio of the repeating unit based on TFE is not particularly limited, but may be appropriately adjusted so that the equivalent weight of the polymer (H1) falls within a preferable range.

(触媒層)
触媒層11は、固体高分子電解質ポリマーと触媒とを含む。
触媒としては、カーボン担体に白金または白金合金を担持した担持触媒が挙げられる。
カーボン担体としては、カーボンブラック粉末が挙げられ、耐久性の点から、熱処理等でグラファイト化したカーボンブラック粉末が好ましい。
(Catalyst layer)
The catalyst layer 11 includes a solid polymer electrolyte polymer and a catalyst.
Examples of the catalyst include a supported catalyst in which platinum or a platinum alloy is supported on a carbon support.
Examples of the carbon carrier include carbon black powder. From the viewpoint of durability, carbon black powder graphitized by heat treatment or the like is preferable.

触媒層11における触媒と固体高分子電解質ポリマーとの質量比(触媒/固体高分子電解質ポリマー)は、導電性および撥水性の点から、5/5〜9.5/0.5が好ましく、6/4〜8/2がより好ましい。   The mass ratio of the catalyst to the solid polymer electrolyte polymer (catalyst / solid polymer electrolyte polymer) in the catalyst layer 11 is preferably 5/5 to 9.5 / 0.5 from the viewpoint of conductivity and water repellency. / 4 to 8/2 is more preferable.

触媒層11は、フラッディングの抑制効果が高まる点から、撥水化剤を含んでいてもよい。
撥水化剤としては、TFEとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマー、TFEとペルフルオロ(アルキルビニルエーテル)とのコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEと記す。)等が挙げられる。撥水化剤としては、触媒層11を撥水化処理しやすい点から、溶媒に溶解できる含フッ素ポリマーが好ましい。
撥水化剤の量は、触媒層(100質量%)中、0.01〜30質量%が好ましい。
The catalyst layer 11 may contain a water repellent agent from the viewpoint that the effect of suppressing flooding is enhanced.
Examples of the water repellent include copolymers of TFE and hexafluoropropylene, copolymers of TFE and perfluoro (alkyl vinyl ether), polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE), and the like. As the water repellent, a fluorine-containing polymer that can be dissolved in a solvent is preferable because the catalyst layer 11 can be easily subjected to water repellent treatment.
The amount of the water repellent agent is preferably 0.01 to 30% by mass in the catalyst layer (100% by mass).

カソード触媒層:
カソード14の触媒層11は、固体高分子電解質ポリマーとしてポリマー(H)を含むため、ポリマー(H)の高いプロトン導電性、酸素透過性および酸素/窒素分離特性により、カソード14における酸素還元反応に対する過電圧が低減され、その結果、反応速度の向上が図られている。
Cathode catalyst layer:
Since the catalyst layer 11 of the cathode 14 contains the polymer (H) as a solid polymer electrolyte polymer, the high proton conductivity, oxygen permeability, and oxygen / nitrogen separation characteristics of the polymer (H) prevent oxygen reduction reaction at the cathode 14. Overvoltage is reduced, and as a result, the reaction rate is improved.

カソード14の触媒層11に含まれる白金量は、電極反応を効率よく行うための最適な厚さの点から、0.05〜0.6mg/cmが好ましく、原料のコストと性能とのバランスの点から、0.1〜0.35mg/cmがより好ましい。
カソード14の触媒層11は、触媒層11中の固体高分子電解質ポリマーの高次構造を安定化させ、かつ酸素/窒素分離特性を高めるために、150〜180℃の温度で、1〜60分熱処理することが好ましい。熱処理は、触媒層11を乾燥させ形成させた直後に実施してもよいし、膜電極接合体10を作製した後に実施してもよい。
The amount of platinum contained in the catalyst layer 11 of the cathode 14 is preferably 0.05 to 0.6 mg / cm 2 from the viewpoint of the optimum thickness for efficiently performing the electrode reaction, and the balance between the cost and performance of the raw material is preferable. From this point, 0.1 to 0.35 mg / cm 2 is more preferable.
The catalyst layer 11 of the cathode 14 is formed at a temperature of 150 to 180 ° C. for 1 to 60 minutes in order to stabilize the higher order structure of the solid polymer electrolyte polymer in the catalyst layer 11 and to enhance the oxygen / nitrogen separation characteristics. It is preferable to heat-treat. The heat treatment may be performed immediately after the catalyst layer 11 is dried and formed, or may be performed after the membrane electrode assembly 10 is manufactured.

アノード触媒層:
アノード13の触媒層11に含まれる固体高分子電解質ポリマーとしては、特には限定されないが、カソード14の触媒層11と同様にポリマー(H)を用いてもよいし、上述した従来のポリマー(1)を用いてもよい。
Anode catalyst layer:
The solid polymer electrolyte polymer contained in the catalyst layer 11 of the anode 13 is not particularly limited, but the polymer (H) may be used similarly to the catalyst layer 11 of the cathode 14, or the conventional polymer (1 ) May be used.

アノード13の触媒層11に含まれる固体高分子電解質ポリマーのイオン交換容量は、1.0〜2.8ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましい。イオン交換容量が1.0ミリ当量/g乾燥樹脂以上であれば、低加湿ないし無加湿条件下におけるプロトン導電性が低くなりすぎない。イオン交換容量が2.8ミリ当量/g乾燥樹脂以下であれば、固体高分子電解質ポリマーの膨潤度が高くなりすぎない。そのため、固体高分子電解質ポリマーが加湿水に溶解することがない。イオン交換容量は、低加湿ないし無加湿条件下におけるプロトン導電性を確保でき、かつ過度な膨潤も起こらない点から、1.1〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましく、高温、かつ無加湿条件下に好適な点から、1.6〜2.2ミリ当量/g乾燥樹脂がより好ましい。   The ion exchange capacity of the solid polymer electrolyte polymer contained in the catalyst layer 11 of the anode 13 is preferably 1.0 to 2.8 meq / g dry resin. When the ion exchange capacity is 1.0 meq / g dry resin or more, proton conductivity under low or no humidification conditions does not become too low. If the ion exchange capacity is 2.8 meq / g dry resin or less, the swelling degree of the solid polymer electrolyte polymer does not become too high. Therefore, the solid polymer electrolyte polymer is not dissolved in the humidified water. The ion exchange capacity is preferably 1.1 to 2.5 meq / g dry resin from the viewpoint that proton conductivity under low humidification or non-humidification conditions can be secured and excessive swelling does not occur. From a point suitable for humidification conditions, 1.6 to 2.2 meq / g dry resin is more preferable.

アノード13の触媒層11に含まれる白金量は、電極反応を効率よく行うための最適な厚さの点から、0.01〜0.3mg/cmが好ましく、原料のコストと性能とのバランスの点から、0.05〜0.2mg/cmがより好ましい。 The amount of platinum contained in the catalyst layer 11 of the anode 13 is preferably 0.01 to 0.3 mg / cm 2 from the viewpoint of the optimum thickness for efficiently performing the electrode reaction, and the balance between the cost and performance of the raw material is preferable. From this point, 0.05 to 0.2 mg / cm 2 is more preferable.

(ガス拡散層)
ガス拡散層12は、触媒層11に均一にガスを拡散させる機能および集電体としての機能を有する。
ガス拡散層12としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等が挙げられる。
ガス拡散層12は、PTFE等によって撥水化処理されていることが好ましい。
(Gas diffusion layer)
The gas diffusion layer 12 has a function of uniformly diffusing gas in the catalyst layer 11 and a function as a current collector.
Examples of the gas diffusion layer 12 include carbon paper, carbon cloth, and carbon felt.
The gas diffusion layer 12 is preferably water repellent treated with PTFE or the like.

(カーボン層)
膜電極接合体10は、図2に示すように、触媒層11とガス拡散層12との間にカーボン層16を有していてもよい。カーボン層16を配置することにより、触媒層11の表面のガス拡散性が向上し、固体高分子形燃料電池の発電特性が大きく向上する。
(Carbon layer)
The membrane electrode assembly 10 may have a carbon layer 16 between the catalyst layer 11 and the gas diffusion layer 12, as shown in FIG. By disposing the carbon layer 16, the gas diffusibility on the surface of the catalyst layer 11 is improved, and the power generation characteristics of the polymer electrolyte fuel cell are greatly improved.

カーボン層16は、カーボンと非イオン性含フッ素ポリマーとを含む層である。
カーボンとしては、繊維径1〜1000nm、繊維長1000μm以下のカーボンナノファイバーが好ましい。
非イオン性含フッ素ポリマーとしては、PTFE等が挙げられる。
The carbon layer 16 is a layer containing carbon and a nonionic fluorine-containing polymer.
As carbon, carbon nanofibers having a fiber diameter of 1 to 1000 nm and a fiber length of 1000 μm or less are preferable.
Examples of the nonionic fluorine-containing polymer include PTFE.

(固体高分子電解質膜)
固体高分子電解質膜15は、イオン交換樹脂を主成分とする電解質膜である。イオン交換樹脂単体からなる膜でもよいし、補強体により補強されていてもよい。
(Solid polymer electrolyte membrane)
The solid polymer electrolyte membrane 15 is an electrolyte membrane having an ion exchange resin as a main component. A membrane made of a single ion exchange resin may be used, or it may be reinforced by a reinforcing body.

イオン交換樹脂としては、耐久性の点から、含フッ素イオン交換樹脂が好ましく、イオン交換基を有するペルフルオロカーボンポリマー(エーテル結合性酸素原子を含んでいてもよい。)がより好ましく、TFEに基づく繰り返し単位と単位(U7)とからなるポリマー、またはTFEに基づく繰り返し単位と単位(U6)とからなるポリマー、またはTFEに基づく繰り返し単位と単位(U6)と単位(U7)とからなるポリマーがさらに好ましい。単位(M6)を有するポリマーは、従来のイオン交換樹脂の膜よりも高い軟化温度を有し、かつ柔軟性が高いため、電気抵抗が低く、従来のイオン交換樹脂の膜よりも高い耐熱性を有し、かつ湿潤状態における膨潤と乾燥状態における収縮とを繰り返しても破損しにくい。   The ion exchange resin is preferably a fluorine-containing ion exchange resin from the viewpoint of durability, more preferably a perfluorocarbon polymer having an ion exchange group (which may contain an ether-bonded oxygen atom), and repetition based on TFE. More preferred are a polymer comprising units and units (U7), a polymer comprising repeating units based on TFE and units (U6), or a polymer comprising repeating units based on TFE, units (U6) and units (U7). . The polymer having the unit (M6) has a softening temperature higher than that of a conventional ion exchange resin film and high flexibility, and thus has low electric resistance and higher heat resistance than that of a conventional ion exchange resin film. Even if it repeats the swelling in the wet state and the shrinkage in the dry state, it is difficult to break.

固体高分子電解質膜15は、耐久性をさらに向上させるために、セリウムおよびマンガンからなる群から選ばれる1種以上の原子を含んでいてもよい。セリウム、マンガンは、固体高分子電解質膜15の劣化を引き起こす原因物質である過酸化水素を分解する。セリウム、マンガンは、イオンとして固体高分子電解質膜15中に存在することが好ましく、イオンとして存在すれば固体高分子電解質膜15中でどのような状態で存在してもかまわない。   The solid polymer electrolyte membrane 15 may contain one or more atoms selected from the group consisting of cerium and manganese in order to further improve the durability. Cerium and manganese decompose hydrogen peroxide, which is a causative substance that causes deterioration of the solid polymer electrolyte membrane 15. Cerium and manganese are preferably present as ions in the solid polymer electrolyte membrane 15, and may exist in any state in the solid polymer electrolyte membrane 15 as long as they are present as ions.

固体高分子電解質膜15は、乾燥を防ぐための保水剤として、シリカ、ヘテロポリ酸(リン酸ジルコニウム、リンモリブデン酸、リンタングステン酸等)を含んでいてもよい。   The solid polymer electrolyte membrane 15 may contain silica and heteropolyacid (zirconium phosphate, phosphomolybdic acid, phosphotungstic acid, etc.) as a water retention agent for preventing drying.

固体高分子電解質膜15の厚さは、5〜30μmが好ましく、10〜25μmがより好ましい。固体高分子電解質膜15の厚さが30μm以下であれば、低加湿ないし無加湿条件下での固体高分子形燃料電池の発電特性の低下がより抑えられる。また、固体高分子電解質膜15の厚さが5μm以上であれば、ガスリークや電気的な短絡を抑えることができる。
固体高分子電解質膜15の厚さは、固体高分子電解質膜15の断面をSEM等によって観察することにより測定する。
The thickness of the solid polymer electrolyte membrane 15 is preferably 5 to 30 μm, and more preferably 10 to 25 μm. If the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 15 is 30 μm or less, a decrease in power generation characteristics of the solid polymer fuel cell under low or no humidification conditions can be further suppressed. Moreover, if the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 15 is 5 μm or more, gas leakage and electrical short circuit can be suppressed.
The thickness of the solid polymer electrolyte membrane 15 is measured by observing the cross section of the solid polymer electrolyte membrane 15 with an SEM or the like.

固体高分子電解質膜15に含まれるイオン交換樹脂のイオン交換容量は、0.9〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましい。イオン交換容量が0.9ミリ当量/g乾燥樹脂以上であれば、低加湿ないし無加湿条件下における膜のプロトン導電性が低くなりすぎない。イオン交換容量が2.5ミリ当量/g乾燥樹脂以下であれば、固体高分子電解質膜15の膨潤度が高くなりすぎず、寸法変化が大きくなりすぎない。その結果、触媒層11との剥離が生じにくく、また、セル内部で膜にしわが発生しにくい。イオン交換容量は、低加湿ないし無加湿条件下におけるプロトン導電性を確保でき、かつ過度な寸法変化も起こらない点から、1.1〜2.0ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましく、高温、かつ無加湿条件下に好適な点から、1.3〜1.8ミリ当量/g乾燥樹脂がより好ましい。   The ion exchange capacity of the ion exchange resin contained in the solid polymer electrolyte membrane 15 is preferably 0.9 to 2.5 meq / g dry resin. When the ion exchange capacity is 0.9 meq / g dry resin or more, the proton conductivity of the membrane under low or no humidification conditions does not become too low. If the ion exchange capacity is 2.5 meq / g dry resin or less, the degree of swelling of the solid polymer electrolyte membrane 15 does not become too high, and the dimensional change does not become too great. As a result, separation from the catalyst layer 11 is difficult to occur, and wrinkles are hardly generated in the cell inside the cell. The ion exchange capacity is preferably 1.1 to 2.0 meq / g dry resin from the viewpoint that proton conductivity under low humidification or non-humidification conditions can be secured and excessive dimensional change does not occur. From a point suitable for non-humidified conditions, 1.3 to 1.8 meq / g dry resin is more preferable.

(膜電極接合体の製造方法)
膜電極接合体10は、たとえば、下記の方法にて製造される。
(a−1)固体高分子電解質膜15上に触媒層11を形成して膜触媒層接合体とし、該膜触媒層接合体をガス拡散層12で挟み込む方法。
(a−2)ガス拡散層12上に触媒層11を形成して電極(アノード13、カソード14)とし、固体高分子電解質膜15を該電極で挟み込む方法。
(Method for producing membrane electrode assembly)
The membrane electrode assembly 10 is manufactured, for example, by the following method.
(A-1) A method in which the catalyst layer 11 is formed on the solid polymer electrolyte membrane 15 to form a membrane catalyst layer assembly, and the membrane catalyst layer assembly is sandwiched between the gas diffusion layers 12.
(A-2) A method in which the catalyst layer 11 is formed on the gas diffusion layer 12 to form electrodes (anode 13 and cathode 14), and the solid polymer electrolyte membrane 15 is sandwiched between the electrodes.

膜電極接合体10がカーボン層16を有する場合、膜電極接合体10は、たとえば、下記の方法にて製造される。
(b−1)基材フィルム上に、カーボンおよび非イオン性含フッ素ポリマーを含む分散液を塗布し、乾燥させてカーボン層16を形成し、カーボン層16上に触媒層11を形成し、触媒層11と固体高分子電解質膜15とを貼り合わせ、基材フィルムを剥離して、カーボン層16を有する膜触媒層接合体とし、該膜触媒層接合体をガス拡散層12で挟み込む方法。
(b−2)ガス拡散層12上に、カーボンおよび非イオン性含フッ素ポリマーを含む分散液を塗布し、乾燥させてカーボン層16を形成し、(a−1)の方法における膜触媒層接合体を、カーボン層16を有するガス拡散層12で挟み込む方法。
When membrane electrode assembly 10 has carbon layer 16, membrane electrode assembly 10 is manufactured by the following method, for example.
(B-1) A dispersion containing carbon and a nonionic fluorine-containing polymer is applied on a base film and dried to form a carbon layer 16, and a catalyst layer 11 is formed on the carbon layer 16. A method in which the layer 11 and the solid polymer electrolyte membrane 15 are bonded together, the base film is peeled off to form a membrane catalyst layer assembly having the carbon layer 16, and the membrane catalyst layer assembly is sandwiched between the gas diffusion layers 12.
(B-2) A dispersion containing carbon and a nonionic fluorine-containing polymer is applied onto the gas diffusion layer 12 and dried to form a carbon layer 16, and the membrane catalyst layer bonding in the method (a-1) A method of sandwiching a body with a gas diffusion layer 12 having a carbon layer 16.

触媒層11の形成方法としては、下記の方法が挙げられる。
(y−1)触媒層形成用液を、固体高分子電解質膜15、ガス拡散層12、またはカーボン層16上に塗布し、乾燥させる方法。
(y−2)触媒層形成用液を基材フィルム上に塗布し、乾燥させ触媒層11を形成し、該触媒層11を固体高分子電解質膜15上に転写する方法。
Examples of the method for forming the catalyst layer 11 include the following methods.
(Y-1) A method of applying the catalyst layer forming liquid on the solid polymer electrolyte membrane 15, the gas diffusion layer 12, or the carbon layer 16 and drying it.
(Y-2) A method in which a catalyst layer forming solution is applied onto a base film, dried to form a catalyst layer 11, and the catalyst layer 11 is transferred onto a solid polymer electrolyte membrane 15.

触媒層形成用液は、固体高分子電解質ポリマーおよび触媒を分散媒に分散させた液である。触媒層形成用液は、たとえば、本発明における固体高分子電解質ポリマーを液状組成物とし、触媒の分散液とを混合することにより調製できる。
触媒層形成用液は、触媒層11の形成方法によって粘度が異なるため、数十cP程度の分散液であってもよく、20000cP程度のペーストであってもよい。
触媒層形成用液は、粘度を調節するために、増粘剤を含んでいてもよい。増粘剤としては、エチルセルロース、メチルセルロース、セロソルブ系増粘剤、フッ素系溶剤(5フッ化プロパノール、フロン等。)が挙げられる。
The catalyst layer forming liquid is a liquid in which a solid polymer electrolyte polymer and a catalyst are dispersed in a dispersion medium. The catalyst layer forming liquid can be prepared, for example, by mixing the solid polymer electrolyte polymer in the present invention with a liquid composition and a catalyst dispersion.
Since the viscosity of the catalyst layer forming liquid varies depending on the method of forming the catalyst layer 11, it may be a dispersion of about several tens of cP or a paste of about 20000 cP.
The catalyst layer forming liquid may contain a thickener in order to adjust the viscosity. Examples of the thickener include ethyl cellulose, methyl cellulose, cellosolve thickener, and fluorine-based solvent (pentafluoropropanol, chlorofluorocarbon, etc.).

(作用効果)
以上説明した膜電極接合体10は、カソード触媒層にイオン交換容量が高く、酸素透過性が高く、かつ酸素/窒素分離性の高い固体高分子電解質ポリマーを用いているため、発電特性(出力電圧等)が高い。特に、低加湿度ないし無加湿条件下でも高い発電性能を発現できるため、加湿システムの簡素化に寄与できる。
(Function and effect)
The membrane electrode assembly 10 described above uses a solid polymer electrolyte polymer having a high ion exchange capacity, a high oxygen permeability, and a high oxygen / nitrogen separation property for the cathode catalyst layer. Etc.) is high. In particular, it can contribute to simplification of the humidification system because it can exhibit high power generation performance even under low or no humidification conditions.

すなわち、カソード14の触媒層11が、固体高分子電解質ポリマーとして、イオン交換容量が0.9〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂であり、高真空法にて温度100℃の条件で測定した酸素透過係数が1×10−12〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕以上であり、かつ100℃の酸素/窒素分離係数が2.5以上であるポリマー(H)を含むため、ポリマー(H)が窒素を排除しながら反応場に酸素を効率的に供給することで反応活性が向上し、発電特性を向上できる。特に、高温、かつ低加湿ないし無加湿条件下での発電特性を高くすることができる。 That is, the catalyst layer 11 of the cathode 14 was a dry polymer having an ion exchange capacity of 0.9 to 2.5 meq / g as a solid polymer electrolyte polymer, and was measured at a temperature of 100 ° C. by a high vacuum method. A polymer (H) having an oxygen permeability coefficient of 1 × 10 −12 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s · Pa] or more and an oxygen / nitrogen separation coefficient at 100 ° C. of 2.5 or more. Therefore, the polymer (H) efficiently supplies oxygen to the reaction field while excluding nitrogen, thereby improving the reaction activity and improving the power generation characteristics. In particular, the power generation characteristics under high temperature and low or no humidification conditions can be improved.

<固体高分子形燃料電池>
本発明の膜電極接合体は、固体高分子形燃料電池に用いられる。固体高分子形燃料電池は、たとえば、2つのセパレータの間に膜電極接合体を挟んでセルを形成し、複数のセルをスタックすることにより製造される。
セパレータとしては、燃料ガスまたは酸素を含む酸化剤ガス(空気、酸素等)の通路となる溝が形成された導電性カーボン板等が挙げられる。
<Solid polymer fuel cell>
The membrane electrode assembly of the present invention is used for a polymer electrolyte fuel cell. A polymer electrolyte fuel cell is manufactured, for example, by forming a cell by sandwiching a membrane electrode assembly between two separators and stacking a plurality of cells.
Examples of the separator include a conductive carbon plate in which a groove serving as a passage for an oxidant gas (air, oxygen, etc.) containing fuel gas or oxygen is formed.

固体高分子形燃料電池の種類としては、水素/酸素型燃料電池、直接メタノール型燃料電池(DMFC)等が挙げられる。DMFCの燃料に用いるメタノールまたはメタノール水溶液は、液フィードであってもよく、ガスフィードであってもよい。   Examples of the polymer electrolyte fuel cell include a hydrogen / oxygen fuel cell and a direct methanol fuel cell (DMFC). The methanol or methanol aqueous solution used for the DMFC fuel may be a liquid feed or a gas feed.

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明の技術的範囲がこれに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, the technical scope of this invention is not limited to this.

(イオン交換容量)
固体高分子電解質ポリマーのイオン交換容量は、下記の方法により求めた。
ポリマーをグローブボックス中に入れ、乾燥窒素を流した雰囲気中に24時間以上放置し、乾燥させた。グローブボックス中でポリマーの乾燥質量を測定した。
ポリマーを2モル/Lの塩化ナトリウム水溶液に浸漬し、60℃で1時間放置した後、室温まで冷却した。ポリマーを浸漬していた塩化ナトリウム水溶液を、0.5モル/Lの水酸化ナトリウム水溶液で滴定することにより、ポリマーのイオン交換容量を求めた。
(Ion exchange capacity)
The ion exchange capacity of the solid polymer electrolyte polymer was determined by the following method.
The polymer was put in a glove box and left to dry for 24 hours or more in an atmosphere of flowing dry nitrogen. The dry mass of the polymer was measured in the glove box.
The polymer was immersed in a 2 mol / L sodium chloride aqueous solution, allowed to stand at 60 ° C. for 1 hour, and then cooled to room temperature. The aqueous solution of sodium chloride in which the polymer was immersed was titrated with a 0.5 mol / L aqueous solution of sodium hydroxide to determine the ion exchange capacity of the polymer.

(モノマー(a))
化合物(M1−1):
(Monomer (a))
Compound (M1-1):

Figure 2011065838
Figure 2011065838

化合物(M4−1):   Compound (M4-1):

Figure 2011065838
Figure 2011065838

(モノマー(b))
化合物(M5−1)の合成:
国際公開第2003/037885号パンフレットのp.37−42の実施例に記載の方法にしたがって、化合物(M5−1)を合成した。
(Monomer (b))
Synthesis of compound (M5-1):
P. Of International Publication No. 2003/037885 pamphlet. Compound (M5-1) was synthesized according to the method described in Examples 37-42.

Figure 2011065838
Figure 2011065838

(モノマー(c))
化合物(M6−12)の合成:
特開2008−202039号公報の例1に記載の方法にしたがって、化合物(M6−12)を合成した。
(Monomer (c))
Synthesis of compound (M6-12):
Compound (M6-12) was synthesized according to the method described in Example 1 of JP-A-2008-202039.

Figure 2011065838
Figure 2011065838

化合物(M7−11):   Compound (M7-11):

Figure 2011065838
Figure 2011065838

(ラジカル開始剤)
化合物(i−1):
((CHCHOCOO) ・・・(i−1)。
化合物(i−2):
(Radical initiator)
Compound (i-1):
((CH 3 ) 2 CHOCOO) 2 (i-1).
Compound (i-2):

Figure 2011065838
Figure 2011065838

化合物(i−3):
(CCOO) ・・・(i−3)。
Compound (i-3):
(C 3 F 7 COO) 2 ··· (i-3).

(溶媒)
化合物(s−1):
CClFCFCHClF ・・・(s−1)。
化合物(s−2):
CHCClF ・・・(s−2)。
(solvent)
Compound (s-1):
CClF 2 CF 2 CHClF (s-1).
Compound (s-2):
CH 3 CCl 2 F (s-2).

〔例1〕
内容積230mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(M1−1)の31.00g、化合物(M7−11)の214.5gおよび化合物(i−1)の80mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気した。その後、TFEの7.24gを仕込んで、40℃に昇温して、24時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止した。
生成物を化合物(s−1)で希釈した後、これにn−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過した。その後、化合物(s−1)中でポリマーを撹拌し、n−ヘキサンで再凝集し、80℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー(F−1)を得た。収量は41gであった。
[Example 1]
A stainless steel autoclave with an internal volume of 230 mL was charged with 31.00 g of the compound (M1-1), 214.5 g of the compound (M7-11) and 80 mg of the compound (i-1), and sufficiently removed under cooling with liquid nitrogen. I worried. Thereafter, 7.24 g of TFE was charged, the temperature was raised to 40 ° C., and the mixture was stirred for 24 hours, and then the reaction was stopped by cooling the autoclave.
After diluting the product with the compound (s-1), n-hexane was added thereto, and the polymer was aggregated and filtered. Thereafter, the polymer was stirred in compound (s-1), re-agglomerated with n-hexane, and dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight to obtain polymer (F-1). Yield was 41 g.

19F−NMRでポリマー(F−1)の組成を求めたところ、TFEに基づく繰り返し単位/単位(U1−1)/化合物(M7−11)に基づく繰り返し単位=31/47/22(モル比)であり、ポリマー(F−1)中の環状構造を有する繰り返し単位の比率は47モル%であった。 When the composition of the polymer (F-1) was determined by 19 F-NMR, the repeating unit based on TFE / the unit (U1-1) / the repeating unit based on the compound (M7-11) = 31/47/22 (molar ratio). The ratio of the repeating unit having a cyclic structure in the polymer (F-1) was 47 mol%.

ポリマー(F−1)を、メタノールの20質量%および水酸化カリウムの15質量%を含む水溶液に40時間浸漬させることにより、ポリマー(F−1)中の−SOF基を加水分解し、−SOK基に変換した。ついで、該ポリマーを、3モル/Lの塩酸水溶液に2時間浸漬した。塩酸水溶液を交換し、同様の処理をさらに4回繰り返し、ポリマー中の−SOK基がスルホン酸基に変換されたポリマー(H−1)を得た。該ポリマー(H−1)を超純水で充分に水洗した。ポリマー(H−1)のイオン交換容量を測定したところ、イオン交換容量は0.94ミリ当量/g乾燥樹脂であった。 By immersing the polymer (F-1) in an aqueous solution containing 20% by mass of methanol and 15% by mass of potassium hydroxide for 40 hours, the —SO 2 F group in the polymer (F-1) is hydrolyzed, and convert these groups to -SO 3 K groups. Then, the polymer was immersed in a 3 mol / L hydrochloric acid aqueous solution for 2 hours. The hydrochloric acid aqueous solution was exchanged, and the same treatment was repeated four more times to obtain a polymer (H-1) in which —SO 3 K groups in the polymer were converted to sulfonic acid groups. The polymer (H-1) was thoroughly washed with ultrapure water. When the ion exchange capacity of the polymer (H-1) was measured, the ion exchange capacity was 0.94 meq / g dry resin.

ポリマー(H−1)に、エタノールと水との混合溶媒(エタノール/水=70/30質量比)を加え、固形分濃度を15質量%に調整し、オートクレーブを用い125℃で8時間、撹拌した。さらに水を加え、固形分濃度を7.0質量%に調整し、ポリマー(H−1)が分散媒に分散した液状組成物(E−1)を得た。分散媒の組成は、エタノール/水=35/65(質量比)であった。   A mixed solvent of ethanol and water (ethanol / water = 70/30 mass ratio) is added to the polymer (H-1), the solid content concentration is adjusted to 15 mass%, and the mixture is stirred at 125 ° C. for 8 hours using an autoclave. did. Further, water was added to adjust the solid content concentration to 7.0% by mass to obtain a liquid composition (E-1) in which the polymer (H-1) was dispersed in a dispersion medium. The composition of the dispersion medium was ethanol / water = 35/65 (mass ratio).

液状組成物(E−1)をETFEシート上にダイコータにて塗布し、80℃で30分乾燥し、さらに165℃で30分の熱処理を施し、厚さ30μmのガス透過性測定用キャスト膜を形成した。得られたキャスト膜の100℃における酸素透過係数および窒素透過係数を、高真空法ガス透過装置を用いて測定した。結果を表1に示す。   The liquid composition (E-1) was coated on an ETFE sheet with a die coater, dried at 80 ° C. for 30 minutes, further subjected to heat treatment at 165 ° C. for 30 minutes, and a cast film for gas permeability measurement having a thickness of 30 μm was formed. Formed. The oxygen permeability coefficient and the nitrogen permeability coefficient at 100 ° C. of the obtained cast film were measured using a high vacuum gas permeation apparatus. The results are shown in Table 1.

〔例2〕
カーボン粉末に白金を50質量%担持した担持触媒の10gに水の39gを加え、10分間超音波を照射し、触媒の分散液を得た。触媒の分散液に、液状組成物(E−1)の60gを加え、さらにエタノールの64gを加えて固形分濃度を8質量%とし、触媒層形成用液を得た。該液を別途用意したエチレンとTFEとの共重合体からなるシート(商品名:アフレックス100N、旭硝子社製、厚さ100μm)(以下、ETFEシートと記す。)上に塗布し、80℃で30分乾燥させ、さらに165℃で30分の熱処理を施し、白金量が0.35mg/cmの触媒層を形成した。
[Example 2]
39 g of water was added to 10 g of a supported catalyst in which 50% by mass of platinum was supported on carbon powder, and ultrasonic waves were applied for 10 minutes to obtain a catalyst dispersion. 60 g of the liquid composition (E-1) was added to the catalyst dispersion, and 64 g of ethanol was further added to adjust the solid concentration to 8% by mass to obtain a catalyst layer forming solution. The solution was applied onto a separately prepared sheet of ethylene and TFE copolymer (trade name: Aflex 100N, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., thickness 100 μm) (hereinafter referred to as ETFE sheet) at 80 ° C. It was dried for 30 minutes and further subjected to a heat treatment at 165 ° C. for 30 minutes to form a catalyst layer with a platinum amount of 0.35 mg / cm 2 .

内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(M6−12)の45.9g、化合物(s−1)の16.5gおよび化合物(i−1)の12.65mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気した。その後、40℃に昇温して、TFEを系内に導入し、圧力を0.55MPaGに保持した。40℃で4.3時間撹拌した後、系内のガスをパージし、オートクレーブを冷却して反応を終了した。
生成物を化合物(s−1)で希釈した後、これに化合物(s−2)を添加し、ポリマーを凝集してろ過した。その後、化合物(s−1)中でポリマーを撹拌し、化合物(s−2)で再凝集し、80℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー(F−2)を得た。収量は6.5gであった。
A stainless steel autoclave having an internal volume of 125 mL was charged with 45.9 g of the compound (M6-12), 16.5 g of the compound (s-1) and 12.65 mg of the compound (i-1), and cooled with liquid nitrogen. I was deaerated well. Thereafter, the temperature was raised to 40 ° C., TFE was introduced into the system, and the pressure was maintained at 0.55 MPaG. After stirring at 40 ° C. for 4.3 hours, the gas in the system was purged and the autoclave was cooled to complete the reaction.
After the product was diluted with the compound (s-1), the compound (s-2) was added thereto, and the polymer was aggregated and filtered. Thereafter, the polymer was stirred in the compound (s-1), re-agglomerated with the compound (s-2), and dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight to obtain a polymer (F-2). The yield was 6.5g.

ポリマー(F−2)を用いて、上記と同様の方法で、ポリマー(H−2)を得た。
ポリマー(H−2)のイオン交換容量を測定したところ、イオン交換容量は1.51ミリ当量/g乾燥樹脂であった。
Using the polymer (F-2), a polymer (H-2) was obtained in the same manner as described above.
When the ion exchange capacity of the polymer (H-2) was measured, the ion exchange capacity was 1.51 meq / g dry resin.

ポリマー(H−2)に、エタノール、水および1−ブタノールの混合溶媒(エタノール/水/1−ブタノール=35/50/15質量比)を加え、固形分濃度を15質量%に調整し、オートクレーブを用い125℃で8時間、撹拌した。さらに水を加え、固形分濃度を9質量%に調整し、ポリマー(H−2)が分散媒に分散した液状組成物(E−2)を得た。分散媒の組成は、エタノール/水/1−ブタノール=20/70/10(質量比)であった。   A mixed solvent of ethanol, water and 1-butanol (ethanol / water / 1-butanol = 35/50/15 mass ratio) is added to the polymer (H-2), the solid content concentration is adjusted to 15 mass%, and the autoclave And stirred at 125 ° C. for 8 hours. Water was further added to adjust the solid content concentration to 9% by mass to obtain a liquid composition (E-2) in which the polymer (H-2) was dispersed in a dispersion medium. The composition of the dispersion medium was ethanol / water / 1-butanol = 20/70/10 (mass ratio).

液状組成物(E−2)をETFEシート上にダイコータにて塗布し、80℃で30分乾燥し、さらに190℃で30分の熱処理を施し、厚さ20μmの固体高分子電解質膜を形成した。   The liquid composition (E-2) was coated on an ETFE sheet with a die coater, dried at 80 ° C. for 30 minutes, and further subjected to heat treatment at 190 ° C. for 30 minutes to form a solid polymer electrolyte membrane having a thickness of 20 μm. .

固体高分子電解質膜からETFEシートを剥離した後、固体高分子電解質膜を2枚のETFEシート付き触媒層で挟み、プレス温度160℃、プレス時間5分、圧力3MPaの条件にて加熱プレスし、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を接合し、触媒層からETFEシートを剥離して、電極面積25cmの膜触媒層接合体を得た。 After peeling the ETFE sheet from the solid polymer electrolyte membrane, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two catalyst layers with an ETFE sheet, and heated and pressed under the conditions of a press temperature of 160 ° C., a press time of 5 minutes, and a pressure of 3 MPa, The catalyst layer was bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, and the ETFE sheet was peeled from the catalyst layer to obtain a membrane catalyst layer assembly having an electrode area of 25 cm 2 .

カーボンペーパーからなるガス拡散層上に、カーボンとPTFEとからなるカーボン層を形成した。
カーボン層と触媒層とが接するように、膜触媒層接合体をガス拡散層で挟み、膜電極接合体を得た。
A carbon layer made of carbon and PTFE was formed on the gas diffusion layer made of carbon paper.
The membrane / catalyst layer assembly was sandwiched between the gas diffusion layers so that the carbon layer and the catalyst layer were in contact with each other to obtain a membrane / electrode assembly.

膜電極接合体を発電用セルに組み込み、下記の条件下で発電特性の評価を実施した。
膜電極接合体のアノードに水素(利用率50%)、カソードに空気(利用率50%)を、それぞれ175kPa(絶対圧力)に加圧して供給した。水素および空気ともに加湿せずに供給し、電流密度は1.0A/cmで一定として、80℃から上昇させた。温度上昇とともに発電電圧が低下していき、電圧0.5Vに低下する温度を記録した。結果を表1に示す。
The membrane electrode assembly was incorporated into a power generation cell, and power generation characteristics were evaluated under the following conditions.
Hydrogen (utilization rate 50%) was supplied to the anode of the membrane electrode assembly, and air (utilization rate 50%) was pressurized to 175 kPa (absolute pressure) and supplied to the cathode. Hydrogen and air were supplied without being humidified, and the current density was constant at 1.0 A / cm 2 and increased from 80 ° C. The temperature at which the power generation voltage decreased with increasing temperature and the voltage decreased to 0.5 V was recorded. The results are shown in Table 1.

〔例3〕
内容積1005mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(M5−1)の30.36g、化合物(s−1)の665.8g、メタノールの279mgおよび化合物(i−1)の36.8mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気した。その後、40℃に昇温してから、TFEの45.8gを仕込んで5時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止した。
生成物を化合物(s−1)で希釈した後、これにn−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過した。その後、化合物(s−1)中でポリマーを撹拌し、n−ヘキサンで再凝集し、80℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー(F−3)を得た。収量は22.8gであった。
[Example 3]
A stainless autoclave having an internal volume of 1005 mL was charged with 30.36 g of the compound (M5-1), 665.8 g of the compound (s-1), 279 mg of methanol, and 36.8 mg of the compound (i-1), and liquid nitrogen. Degassed sufficiently under cooling by Then, after raising the temperature to 40 ° C., 45.8 g of TFE was charged and stirred for 5 hours, and then the reaction was stopped by cooling the autoclave.
After diluting the product with the compound (s-1), n-hexane was added thereto, and the polymer was aggregated and filtered. Thereafter, the polymer was stirred in the compound (s-1), re-agglomerated with n-hexane, and dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight to obtain a polymer (F-3). The yield was 22.8 g.

19F−NMRでポリマー(F−3)の組成を求めたところ、TFEに基づく繰り返し単位/化合物(M5−1)に基づく繰り返し単位=67/33(モル比)であり、ポリマー(F−3)中の環状構造を有する繰り返し単位の比率は33モル%であった。 When the composition of the polymer (F-3) was determined by 19 F-NMR, the repeating unit based on TFE / the repeating unit based on the compound (M5-1) = 67/33 (molar ratio), and the polymer (F-3 The ratio of the repeating unit having a cyclic structure was 33 mol%.

ポリマー(F−3)を用いて、例1と同様の方法で、ポリマー(H−3)、液状組成物(E−3)を得た。また、ポリマー(H−3)のイオン交換容量を測定したところ、イオン交換容量は1.59ミリ当量/g乾燥樹脂であった。   A polymer (H-3) and a liquid composition (E-3) were obtained in the same manner as in Example 1 using the polymer (F-3). Moreover, when the ion exchange capacity of the polymer (H-3) was measured, the ion exchange capacity was 1.59 meq / g dry resin.

例1と同様にして厚さ30μmのガス透過性測定用キャスト膜を形成した。得られたキャスト膜の100℃における酸素透過係数および窒素透過係数を、高真空法ガス透過装置を用いて測定した。結果を表1に示す。   In the same manner as in Example 1, a cast film for gas permeability measurement having a thickness of 30 μm was formed. The oxygen permeability coefficient and the nitrogen permeability coefficient at 100 ° C. of the obtained cast film were measured using a high vacuum gas permeation apparatus. The results are shown in Table 1.

〔例4〕
触媒の分散液に加える液状組成物として、液状組成物(E−3)を用いた以外は例2と同様にして膜電極接合体を作製し、例2と同様の条件で発電特性を測定した。結果を表1に示す。
[Example 4]
A membrane / electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 2 except that the liquid composition (E-3) was used as the liquid composition to be added to the catalyst dispersion, and the power generation characteristics were measured under the same conditions as in Example 2. . The results are shown in Table 1.

〔例5〕
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(M5−1)の9.16g、化合物(M4−1)の5.67g、化合物(s−1)の5.0gおよび化合物(i−2)の2.4mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気した。その後、65℃に昇温して、23.5時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止した。
生成物を化合物(s−1)で希釈した後、これにn−ヘキサンを添加し、ポリマーを凝集してろ過した。その後、化合物(s−1)中でポリマーを撹拌し、n−ヘキサンで再凝集し、80℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー(F−4)を得た。収量は6.35gであった。ポリマー(F−4)中の環状構造を有する繰り返し単位の比率は100モル%である。
[Example 5]
In a 125 mL stainless steel autoclave, 9.16 g of compound (M5-1), 5.67 g of compound (M4-1), 5.0 g of compound (s-1), and 2 of compound (i-2) .4 mg was charged and sufficiently deaerated under cooling with liquid nitrogen. Then, after heating up to 65 degreeC and stirring for 23.5 hours, the autoclave was cooled and reaction was stopped.
After diluting the product with the compound (s-1), n-hexane was added thereto, and the polymer was aggregated and filtered. Thereafter, the polymer was stirred in compound (s-1), re-agglomerated with n-hexane, and dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight to obtain polymer (F-4). The yield was 6.35g. The ratio of the repeating unit having a cyclic structure in the polymer (F-4) is 100 mol%.

ポリマー(F−4)を用いて、例1と同様の方法で、ポリマー(H−4)、液状組成物(E−4)を得た。また、ポリマー(H−4)のイオン交換容量を測定したところ、イオン交換容量は1.54ミリ当量/g乾燥樹脂であった。   A polymer (H-4) and a liquid composition (E-4) were obtained in the same manner as in Example 1 using the polymer (F-4). Moreover, when the ion exchange capacity of the polymer (H-4) was measured, the ion exchange capacity was 1.54 meq / g dry resin.

例1と同様にして厚さ30μmのガス透過性測定用キャスト膜を形成する。得られたキャスト膜の100℃における酸素透過係数および窒素透過係数を、高真空法ガス透過装置を用いて測定し、結果を表1に示す。   A cast film for gas permeability measurement having a thickness of 30 μm is formed in the same manner as in Example 1. The oxygen permeability coefficient and nitrogen permeability coefficient at 100 ° C. of the obtained cast film were measured using a high vacuum gas permeation apparatus, and the results are shown in Table 1.

〔例6〕
触媒の分散液に加える液状組成物として、液状組成物(E−4)を用いた以外は例2と同様にして膜電極接合体を作製する。例2と同様の条件で発電特性を測定し、結果を表1に示す。
[Example 6]
A membrane / electrode assembly is produced in the same manner as in Example 2 except that the liquid composition (E-4) is used as the liquid composition to be added to the catalyst dispersion. The power generation characteristics were measured under the same conditions as in Example 2, and the results are shown in Table 1.

〔例7〕
内容積125mLのステンレス製オートクレーブに、化合物(M7−11)の49.64g、化合物(s−1)の28.22gおよび化合物(s−1)に3.2質量%の濃度で溶解した化合物(i−3)の38.9mgを仕込み、液体窒素による冷却下、充分脱気した。その後、30℃に昇温して、TFEを系内に導入し、圧力を0.37MPaGに保持した。4.8時間撹拌した後、オートクレーブを冷却して反応を停止した。
生成物を化合物(s−1)で希釈した後、これに化合物(s−2)を添加し、ポリマーを凝集してろ過した。その後、化合物(s−1)中でポリマーを撹拌し、化合物(s−2)で再凝集し、80℃で一晩減圧乾燥し、ポリマー(F−5)を得た。収量は15.0gであった。
[Example 7]
Compound (M7-11) 49.64 g, compound (s-1) 28.22 g and compound (s-1) dissolved at a concentration of 3.2% by mass in a stainless steel autoclave having an internal volume of 125 mL ( 38.9 mg of i-3) was charged and sufficiently deaerated under cooling with liquid nitrogen. Thereafter, the temperature was raised to 30 ° C., TFE was introduced into the system, and the pressure was maintained at 0.37 MPaG. After stirring for 4.8 hours, the reaction was stopped by cooling the autoclave.
After the product was diluted with the compound (s-1), the compound (s-2) was added thereto, and the polymer was aggregated and filtered. Thereafter, the polymer was stirred in the compound (s-1), re-agglomerated with the compound (s-2), and dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight to obtain a polymer (F-5). Yield was 15.0 g.

ポリマー(F−5)を用いて、例1と同様の方法で、ポリマー(H−5)、液状組成物(E−5)を得た。また、ポリマー(H−5)のイオン交換容量を測定したところ、イオン交換容量は1.10ミリ当量/g乾燥樹脂であった。     A polymer (H-5) and a liquid composition (E-5) were obtained in the same manner as in Example 1 using the polymer (F-5). Moreover, when the ion exchange capacity of the polymer (H-5) was measured, the ion exchange capacity was 1.10 meq / g dry resin.

例1と同様にして厚さ30μmのガス透過性測定用キャスト膜を形成した。得られたキャスト膜の100℃における酸素透過係数および窒素透過係数を、高真空法ガス透過装置を用いて測定した。結果を表1に示す。   In the same manner as in Example 1, a cast film for gas permeability measurement having a thickness of 30 μm was formed. The oxygen permeability coefficient and the nitrogen permeability coefficient at 100 ° C. of the obtained cast film were measured using a high vacuum gas permeation apparatus. The results are shown in Table 1.

〔例8〕
触媒の分散液に加える液状組成物として、液状組成物(E−5)を用いた以外は例2と同様にして膜電極接合体を作製した。例2と同様の条件で発電特性を測定した。結果を表1に示す。
[Example 8]
A membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 2 except that the liquid composition (E-5) was used as the liquid composition to be added to the catalyst dispersion. The power generation characteristics were measured under the same conditions as in Example 2. The results are shown in Table 1.

Figure 2011065838
Figure 2011065838

本発明の膜電極接合体は、高温や低加湿といった幅広い条件でも運転可能な固体高分子形燃料電池に使用できる膜電極接合体として有用である。   The membrane electrode assembly of the present invention is useful as a membrane electrode assembly that can be used in a polymer electrolyte fuel cell that can be operated under a wide range of conditions such as high temperature and low humidification.

10 膜電極接合体
11 触媒層
12 ガス拡散層
13 アノード
14 カソード
15 固体高分子電解質膜
16 カーボン層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Membrane electrode assembly 11 Catalyst layer 12 Gas diffusion layer 13 Anode 14 Cathode 15 Solid polymer electrolyte membrane 16 Carbon layer

Claims (3)

固体高分子電解質ポリマーを含む触媒層を有するアノードと、
固体高分子電解質ポリマーを含む触媒層を有するカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された高分子電解質膜とを備え、
前記カソードの触媒層が、前記固体高分子電解質ポリマーとして、イオン交換容量が0.9〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂であり、高真空法にて温度100℃の条件で測定した酸素透過係数が1×10−12〔cm(Normal)・cm/cm・s・Pa〕以上であり、かつ100℃の酸素/窒素分離係数が2.5以上であるポリマー(H)を含むことを特徴とする固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
An anode having a catalyst layer comprising a solid polyelectrolyte polymer;
A cathode having a catalyst layer comprising a solid polyelectrolyte polymer;
A polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode;
The cathode catalyst layer is a dry resin having an ion exchange capacity of 0.9 to 2.5 meq / g as the solid polymer electrolyte polymer, and the oxygen permeation measured at a temperature of 100 ° C. by a high vacuum method. It contains a polymer (H) having a coefficient of 1 × 10 −12 [cm 3 (Normal) · cm / cm 2 · s · Pa] or more and an oxygen / nitrogen separation coefficient at 100 ° C. of 2.5 or more. A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell characterized by the above.
前記ポリマー(H)が、環状構造を有し、かつイオン交換基またはその前駆体基を有さない繰り返し単位(A)、およびまたは環状構造を有し、かつイオン交換基またはその前駆体基を有する繰り返し単位(B)を有し、ポリマー(H)中の全繰り返し単位のうち、前記繰り返し単位(A)と前記繰り返し単位(B)との合計の割合が、20モル%以上である、請求項1に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。   The polymer (H) has a cyclic structure and a repeating unit (A) having no ion exchange group or a precursor group thereof, and / or a cyclic structure and an ion exchange group or a precursor group thereof. The total proportion of the repeating unit (A) and the repeating unit (B) is 20 mol% or more, of all repeating units in the polymer (H). Item 2. The membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to Item 1. 前記カソードの触媒層が、150〜180℃の温度で、1〜60分熱処理されたものである、請求項1または2に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。   The membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the cathode catalyst layer is heat-treated at a temperature of 150 to 180 ° C for 1 to 60 minutes.
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